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문제 정의
- 본 논문에서는 1200V급 트렌치 게이트 IGBT의 측정 자료를 기반으로 SPICE 모델링을 진행하였다.[6] 먼저 IGBT의 직류 특성을 모델링하고, 온도를 변화하여 이에 따른 영향을 모델링한다.
- 본 논문에서는 고전압 IGBT의 SPICE 시뮬레이션을 위해 개선된 모델을 제안하였다. 이 모델을 이용하여 시뮬레이션을 수행한 결과, 1200V급 트렌치 게이트 IGBT를 측정하여 얻은 직류 특성과 교류 특성을 성공적으로 재현하였다.
제안 방법
- 그리고 복수의 접합 다이오드와 전압제어 가변저항을 이용하여 소자의 물리적인 특성을 바탕으로 기존의 모델[4∼5]을 개선하여 비선형적인 커패시턴스 특성 시뮬레이션을 위한 회로 모델을 제안하였다.
- [6] 먼저 IGBT의 직류 특성을 모델링하고, 온도를 변화하여 이에 따른 영향을 모델링한다. 예를 들어, 컬렉터 전류(IC)와 온도의 변화에 따른 VGE와 VCE 특성을 모델링 한다.
- 전류전압 특성에 영향을 주는 파라미터로는 BJT 관련 파라미터인 BF(ideal maximum forward beta), NF(forward current emission coefficient) 등이 있고, MOSFET 관련 파라미터인 VTO(threshold voltage), KP(intrinsic transconductance parameter), Theta(mobility modulation) 등이 있다. 먼저 PNP 트랜지스터 Q1의 파라미터 BF를 조절하여 2V까지의 IC를 모델링한다. NMOS 트랜지스터 M1은 레벨 3의 BSIM 모델을 사용하였다.
- 앞에 언급한 바와 같이 VCE가 낮을 때(2V 이하)에는 BJT의 전류가 차지하는 비율이 높으므로 BJT와 유사한 온도계수 특성을 갖고, VCE가 높을 때(2V 이상)에는 MOSFET과 유사한 온도계수 특성을 보인다. 따라서 2V 이하에서는 BJT의 전류를 온도에 따라 지수적으로 증가시키는 파라미터인 XTB(forward and reverse beta temperature exponent) 를 조절하여 모델링 한다. 그리고 2V 이상에서는 MOSFET의 전류를 온도에 따라 지수적으로 증가시키는 파라미터인 BEX(low field mobility temperature exponent)의 정확한 조절이 중요하다.
- Cres는 그림 3의 게이트 단자와 컬렉터 단자 사이의 커패시턴스로(CGC), 에미터를 접지시키고 VC를 변화시켰을 때 게이트와 컬렉터 사이에 흐르는 전류량을 측정함으로써 구할 수 있다. 공핍층에 인가된 전압의 크기에 따라 커패시턴스가 비선형적으로 변하는 것을 복수의 접합 다이오드 DLV와 DHV의 접합 커패시턴스와 그 사이의 전압제어 가변저항을 이용 하여 모델링하였다. VC가 약 1.
- 8V의 VC에서는 전압이 증가함에 따라 커패시턴스가 급격히 감소하므로, 전압이 증가할 때 가변저항의 크기를 R3 대비 점차 증가시켜 DLV의 변위 전류가 IFB에 유입되는 것을 방해하여, 점진적으로 커패시턴스의 계산에 DLV가 차지하는 비율을 감소시킨다. 1.8V 이상에서는 가변저항의 크기가 충분히 커서 DLV로 흐르는 전류는 R3을 통해 접지된 곳으로 흐르고, DHV를 통해 흐르는 변위전류로만 커패시턴스가 모델링 되도록 하였다. 그 결과, 실측 결과와 유사한 시뮬레이션 결과를 얻었다.
- 입력 커패시턴스 Cies는 콜렉터와 에미터 간을 실질적으로 단락시킬 수 있는 큰 커패시터를 CCE와 병렬로 연결한 후, CGC와 CGE에 흐르는 전류를 측정하여 얻는다. Cres의 모델링을 통해 CGC값을 이미 알고 있기 때문에, 실측한 Cies와 유사한 결과를 얻기 위해 CGE의 크기를 조절한다.
- 이 모델을 이용하여 시뮬레이션을 수행한 결과, 1200V급 트렌치 게이트 IGBT를 측정하여 얻은 직류 특성과 교류 특성을 성공적으로 재현하였다. 모델링 시에, 먼저 IGBT의 부속소자인 MOSFET과 BJT의 파라미터를 조절하여 기본적인 전류-전압 특성과 온도 변화에 따른 출력전류의 특성, 그리고 상온과 고온에서 컬렉터 전류와 게이트 전압에 따른 출력(VCE) 특성을 모델링하였다. 또한 복수의 접합 다이오드, 전압제어 가변저항, 이상적인 전압 및 전류 증폭기와 수동소자 등을 추가하여 비선형적인 리버스 트랜스퍼 등의 커패시턴스-전압 특성을 구현하였으며 실측 데이터와의 비교를 통해 정확도를 검증하였다.
- 모델링 시에, 먼저 IGBT의 부속소자인 MOSFET과 BJT의 파라미터를 조절하여 기본적인 전류-전압 특성과 온도 변화에 따른 출력전류의 특성, 그리고 상온과 고온에서 컬렉터 전류와 게이트 전압에 따른 출력(VCE) 특성을 모델링하였다. 또한 복수의 접합 다이오드, 전압제어 가변저항, 이상적인 전압 및 전류 증폭기와 수동소자 등을 추가하여 비선형적인 리버스 트랜스퍼 등의 커패시턴스-전압 특성을 구현하였으며 실측 데이터와의 비교를 통해 정확도를 검증하였다. 본 연구에서 제안한 IGBT 모델에는 소자의 다차원적인 물리적 특성이 효과적으로 반영되었다.
대상 데이터
- 먼저 PNP 트랜지스터 Q1의 파라미터 BF를 조절하여 2V까지의 IC를 모델링한다. NMOS 트랜지스터 M1은 레벨 3의 BSIM 모델을 사용하였다. MOSFET의 전류-전압 특성에 가장 큰 영향을 미치는 파라미터로는 게이트와 에미터 사이의 문턱전압 VGE,th를 나타내는 VTO와 트랜스컨덕턴스 관련 파라미터인 KP 등이 있다.
- 본 논문에서 사용한 1200V 트렌치 게이트 IGBT는 트리노테크놀로지에서 제공하였습니다.
데이터처리
- 그리고 복수의 접합 다이오드와 전압제어 가변저항을 이용하여 소자의 물리적인 특성을 바탕으로 기존의 모델[4∼5]을 개선하여 비선형적인 커패시턴스 특성 시뮬레이션을 위한 회로 모델을 제안하였다. Ⅱ-2장에서는 제안한 회로모델의 소자 파라미터를 조절하여 1200V급 트렌치 게이트 IGBT의 직류 및 교류 특성을 재현하고, 시뮬레이션 결과를 실측한 결과와 비교하였다.
성능/효과
- 이 그림에서는 게이트에 10V에서 20V의 전압을 인가하고 컬렉터 전압을 증가시켰을 때 컬렉터에 흐르는 전류량을 나타내었다. 5가지 경우 모두 0V에서 10V까지의 VCE 전압 범위에서 실측자료와 시뮬레이션 값이 대체로 일치하는 것을 보여준다.
- 3V 이하에서는 가변저항의 크기를 작게 하여(R3의 1/10 이하) DLV와 DHV에 흐르는 변위전류 모두 CGD 커패시턴스를 모델링하는 데에 기여하도록 한다. 1.3V～1.8V의 VC에서는 전압이 증가함에 따라 커패시턴스가 급격히 감소하므로, 전압이 증가할 때 가변저항의 크기를 R3 대비 점차 증가시켜 DLV의 변위 전류가 IFB에 유입되는 것을 방해하여, 점진적으로 커패시턴스의 계산에 DLV가 차지하는 비율을 감소시킨다. 1.
- 본 논문에서는 고전압 IGBT의 SPICE 시뮬레이션을 위해 개선된 모델을 제안하였다. 이 모델을 이용하여 시뮬레이션을 수행한 결과, 1200V급 트렌치 게이트 IGBT를 측정하여 얻은 직류 특성과 교류 특성을 성공적으로 재현하였다. 모델링 시에, 먼저 IGBT의 부속소자인 MOSFET과 BJT의 파라미터를 조절하여 기본적인 전류-전압 특성과 온도 변화에 따른 출력전류의 특성, 그리고 상온과 고온에서 컬렉터 전류와 게이트 전압에 따른 출력(VCE) 특성을 모델링하였다.
- 또한 복수의 접합 다이오드, 전압제어 가변저항, 이상적인 전압 및 전류 증폭기와 수동소자 등을 추가하여 비선형적인 리버스 트랜스퍼 등의 커패시턴스-전압 특성을 구현하였으며 실측 데이터와의 비교를 통해 정확도를 검증하였다. 본 연구에서 제안한 IGBT 모델에는 소자의 다차원적인 물리적 특성이 효과적으로 반영되었다. 높은 정확도와 신뢰성을 확보한 본 모델은 IGBT를 기반으로 한 전력용 회로 설계 시뮬레이션에 편리성을 제공할 것이다.
후속연구
- 이전에도 IGBT SPICE 모델에 관한 연구가 진행되었지만 일부는 모델이 너무 간단하여 물리적인 특성을 제대로 반영하지 못하고,[2] 일부는 수식을 바탕으로 정량적으로 모델링하여 적용하기는 쉽지만 정확도가 떨어진다는 단점이 있다.[3] 그리고 대부분의 모델들이 직류 특성은 높은 정확도로 구현하였지만 커패시턴스와 같은 교류 특성을 정확히 반영하지 못하여, 이에 대한 추가적인 모델링 연구가 필요한 상황이다.
- 본 연구에서 제안한 IGBT 모델에는 소자의 다차원적인 물리적 특성이 효과적으로 반영되었다. 높은 정확도와 신뢰성을 확보한 본 모델은 IGBT를 기반으로 한 전력용 회로 설계 시뮬레이션에 편리성을 제공할 것이다.
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